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2023 年度 実績報告書

放射光X線散乱で拓く未到の超低温原子層の構造可視化

研究課題

研究課題/領域番号 22H03883
配分区分補助金
研究機関公益財団法人高輝度光科学研究センター

研究代表者

田尻 寛男  公益財団法人高輝度光科学研究センター, 散乱・イメージング推進室, 主幹研究員 (70360831)

研究分担者 山口 明  兵庫県立大学, 理学研究科, 准教授 (10302639)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード放射光 / 超低温 / 表面・界面 / X線散乱 / ヘリウム / 原子層
研究実績の概要

本研究では、表面科学と放射光科学が融合した放射光表面構造科学の未到分野である超低温構造物性を開拓するために、放射光X線散乱を用いて1 K程度の超低温表面を原子レベルで観察できる手法の開発を目的としている。1 K近傍かそれより低い超低温環境におけるヘリウム原子吸着系は、二次元超流動をはじめとした低次元量子液体・固体研究の主要舞台であり、さまざまな量子現象が発見・提唱されている。
一方で、主に熱流入の問題から、超低温ヘリウム原子吸着系の構造情報を抽出できるプローブは中性子散乱などごく一部に限られていた。我々はX線と物質の相互作用が他のプローブに比して1桁以上小さいことを逆手にとり、観察対象への熱流入を抑制した原子レベル観察手法として超低温表面における放射光X線散乱法を開発している。0.1 Wのギフォード・マクマホン型冷凍機とヘリウムの減圧排気を組み合わせた試料冷却機構で最低温度1.37 Kまでの試料冷却が可能となっている。
本研究で取り組む低温物理のプロトタイプであるヘリウム吸着グラファイト系はヘリウム単原子層(固相)の他、多層構造、整合・不整合相転移など多様な表面相をなすが、今回は、ヘリウム1原子層整合相に的を絞り、その放射光表面X線散乱の観測を試みた。グラファイト(001)基板上に成長した4.4 Kにおける低吸着量のヘリウム1原子層整合相を作製し放射光X線実験を行ったところ、ヘリウム吸着による表面X線散乱の強度変調を確認できた。ヘリウム吸着の有無による散乱強度の差分は数10%程度で、そのプロファイルはシミュレーションとよく一致した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

超低温物理のプロトタイプであるヘリウム吸着グラファイトを対象として研究を進めており、グラファイト(001)基板上に成長した4.4 Kにおける低吸着量のヘリウム1原子層整合相からのcrystal truncation rod(CTR)散乱では、ヘリウム吸着によるCTR散乱の強度変調を確認できた。ヘリウム吸着の有無によるCTR散乱強度の差分は数10%程度で、そのプロファイルはシミュレーションとよく一致した。

今後の研究の推進方策

4.4 Kよりさらに低温での放射光表面散乱によるヘリウム原子層観察を行う。さらにヘリウム吸着量を制御することにより、1原子層整合相および不整合層、およびヘリウム原子層の固相-液相転移点(2.91K)の観察を試みる。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] Simulations of Surface X-ray Diffraction from a Monolayer 4He Film Adsorbed on Graphite2023

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Kumashita, Hiroo Tajiri, Akira Yamaguchi, Jun Usami, Akihiko Sumiyama, Yu Yamane, Masaru Suzuki, Tomoki Minoguchi, Yoshiharu Sakurai, Hiroshi Fukuyama
    • 雑誌名

      JPS Conference Proceedings

      巻: 38 ページ: 011004-(1-6)

    • DOI

      10.7566/JPSCP.38.011004

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 放射光によるヘリウム原子層薄膜の構造観測の現状:極低温透過X線回折用実験装置と吸着基板の評価2023

    • 著者名/発表者名
      隈下敦貴, 山口明, 田尻寛男, 宇佐美潤, 山根悠, 住山昭彦, 簑口友紀, 鈴木勝, 櫻井吉晴, 福山寛
    • 学会等名
      日本物理学会第78回年次大会
  • [学会発表] 放射光 X 線回折によるグラファイト上単原子層ヘリウム薄膜の構造研究2023

    • 著者名/発表者名
      隈下敦貴, 山口明, 山根悠, 住山昭彦
    • 学会等名
      兵庫県立大学 知の交流シンポジウム2023
  • [学会発表] Structural study of two-dimensional helium on graphite with synchrotron radiation X-rays2023

    • 著者名/発表者名
      Akira Yamaguchi, Hiroo Tajiri, Atsuki Kumashita, Jun Usami, Akihiko Sumiyama, Yu Yamane, Tomoki Minoguchi, Masaru Suzuki, Yoshiharu Sakurai, Hiroshi Fukuyama
    • 学会等名
      The International Conference on Quantum Fluids and Solids 2023
  • [学会発表] Search for the Gas-Liquid Critical Point in 3He Monolayer on Graphite2023

    • 著者名/発表者名
      Atsuki Kumashita, Jun Usami, Hiroshi Fukuyama, Kazuma Mori, Yu Yamane, Akihiko Sumiyama, Akira Yamaguchi
    • 学会等名
      The International Conference on Quantum Fluids and Solids 2023

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公開日: 2024-12-25  

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